Изделие на подвеску к самолету было доставлено в 6 ч. 45 мин. После подвески был проведен контроль стыковки с изделием, состояния аккумуляторных батарей, введены установки в автоматику. Взлет произведен в 9 ч. 30 мин. с аэродрома Жана-Семей экипажем в составе: командир экипажа – майор Головашко Ф.П., помощник командира – капитан Роменский И.М., штурман корабля – майор Кириленко А.Н., штурман оператор – капитан Лазарев В.И., стрелок-радист – лейтенант Ожерельев Б.И. и командир огневых установок – старшина Суслов Н.П. Полет самолета-дублера в паре с самолетом-носителем не предусматривался из-за отсутствия второго дооборудованного защитными средствами самолета Ту-16. Руководил испытаниями И.В. Курчатов.
Самолет набрал заданную высоту 12 000 м, и к моменту выполнения холостого захода на цель погода испортилась и полигон закрыло облачностью. По запросу экипажа самолету-носителю был разрешен холостой заход на цель с использованием радиолокационного прицела. При выполнений холостого захода радиолокационный прицел отказал. Впервые в практике ядерных испытаний встал вопрос о вынужденной посадке самолета с термоядерной экспериментальной бомбой громадной мощности взрыва.
Требовалось незамедлительно принимать решение. К этому времени срочно вызванные на командный пункт идеологи создания этого изделия А.Д. Сахаров и Я.Б. Зельдович выдали заключение, что при аварийной посадке самолета-носителя Ту-16 с термоядерной бомбой нет оснований ожидать больших неприятностей. Курчатов И.В. принимает решение о вынужденной посадке самолета-носителя с термоядерной бомбой. Посадка произведена на аэродром Жана-Семей в 12 ч. 00 мин. Общая продолжительность полета составила 2 ч. 30 мин. В условиях песчаной бури с первого захода самолет на полосу не попал, топлива оставалось на 15 мин. Командир во втором заходе сажал самолет вслепую по командам штурмана самолета, визуально наблюдавшего полосу. При посадке был выпущен тормозной парашют, но все равно самолет выкатился за полосу. После снятия изделия самолет был осмотрен, оборудование проверено.
Повторный вылет был запланирован на 22 ноября 1955 г. Изделие РДС-37 для подвески на самолет-носитель было доставлено на стоянку самолета в 4 ч. 50 мин. Взлет самолета-носителя Ту-16 произведен в 8 ч. 34 мин. Охрана самолета-носителя в полете выполнялась посменно парами истребителей МиГ-17. Изделие РДС-37 предусматривалось сбрасывать с высоты 12 000 м с холостыми заходами на цель. Во время полета погода стала ухудшаться, цель закрылась сплошной двухслойной облачностью, общей толщиной 1500 м с верхней кромкой на высоте 10 000 м. В связи с ухудшением метеоусловий было принято решение работать экипажу по сокращенной программе. Сброс изделия по заданной цели произведен в 9 ч. 47 мин. с высоты 12 000 м и скорости полета 870 км/ч с использованием радиолокационного прицела. Изделие РДС-37, оснащенное парашютной системой, сработало в соответствии с заданной уставкой от барометрических датчиков на высоте 1550 м, что при замедленном снижении изделия с парашютной системой обеспечило уход самолета-носителя на безопасное расстояние.
По наблюдениям экипажа самолета-носителя, яркая вспышка от взрыва воспринималась в течение 10—12 с. Несмотря на то, что кабины членов экипажей были закрыты светозащитными шторками от прямого светового излучения взрыва, освещенность в кабине при этом воспринималась значительно большей, чем от солнца. Тепловое воздействие от взрыва на открытые участки тела членами экипажа, особенно в кабине штурмана, ощущалось значительно сильнее, чем в самую жаркую солнечную погоду. К моменту прихода ударной волны автопилот самолета был отключен, управление полетом осуществлялось вручную. Ударная волна воздействовала на самолет через 224 с после сбрасывания изделия, самолетные приборы показали рост перегрузок до 2,5 ед., ощущался незначительный подъем самолета. Приблизительно через 5—7 мин. после взрыва высота радиоактивного облака достигла 13—14 км; цвет облака был красно-бурым. Диаметр «гриба» облака к этому моменту составлял 25—30 км. Самолет после полета произвел благополучную посадку на аэродром вылета, при осмотре самолета и проверке его оборудования не было выявлено каких-либо повреждений от воздействия взрыва.